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对于汽车车身常规零件，涉及落料废料利用的零件包括侧围、天窗顶盖、天窗加强板、背门等。如图1所示，某侧围落料板尺寸为3 010 mm×1 540 mm，在级进模落料时，其前门洞、后门洞、前风挡处的废料尺寸分别为1 033 mm×725 mm、862 mm×595 mm、1 430 mm×531 mm，图1中阴影部分为可利用的废料，这3块废料利用价值大，一般都需要回收。![]()
图1 侧围板料落料时废料可回收利用情况如果不使用废料，侧围初始拉深板料的材料利用率为2.397/4.666=51.4%；如果考虑使用废料，侧围初始拉深板料的材料利用率为2.397/3.452=69.4%，拉深板料的材料利用率从51.4%提升到69.4%，生产效益得到大幅提升。侧围、天窗顶盖、天窗加强板拉深板料存在大面积废料可利用的场景。如果落料产生的废料需要回收后二次利用，则不能设计废料刀将大片废料切断，超大废料在级进落料模冲压过程中向模具外滑出时需要将铸件留出特大滑出开档。铸件开孔尺寸较大，悬空跨距长，会导致铸件强度下降，生产时铸件受到较大冲击载荷发生微变形。如果微变形严重则不能使落料刃口保持在合理的冲裁间隙，导致落料模不能正常工作，甚至损坏模具刃口。某天窗加强板在级进模中落料时，天窗部位的废料需要回收利用，因铸件开孔跨距大（1 280 mm），在第一次上机调试时落料模刃口损坏，如图2所示。![]()
图2 天窗加强板落料模凸模刃口脱落及凹模刃口损坏对损坏模具拆卸后进行检查，除了铸件悬空侧的凸、凹模落料镶件刃口发生明显脱落损伤外，其他镶件也有不同程度挤伤或啃伤，这些镶件在落料模高频率冲压时都不能满足使用条件。全部拆除凹模镶件后，对损伤镶件的铸件安装面进行平面度检测并重新找平加工。经过检测，发现镶件安装面在冲压受力后，因强度不足导致铸件变形，卸载后铸件Z方向变形量达到-1.3 mm，如图3所示。铸件Z方向的微量变形会传递给落料凸、凹模刃口，导致刃口挤伤甚至脱落。![]()
图3 铸件Z方向变形量为-1.3 mm落料模的初始设计没有考虑降低落料冲裁压力，在悬空刃口侧的落料线长度为1 280 mm，板料厚度为1.2 mm，板料的抗剪强度τ=380 N/mm²，计算后剪切冲压力P≈583 680 N。根据实物铸件的模型数据，使用584 kN的冲压力作用在模型上，经过有限元分析，测算当前铸件的变形情况如图4所示，铸件在受力的Z方向变形量达到1.32 mm，导致在凸、凹模刃口方向应变量达到了0.54 mm，超过了凸、凹模刃口间隙，造成凸、凹模刃口相互挤压，导致凸模刃口崩开脱落，凹模刃口挤裂。![]()
图4 铸件变形量仿真分析
由此可见，造成悬空铸件凸模刃口脱落损坏的主要原因是单位面积的冲压力过大，导致铸件变形，刃口碰撞挤压损坏。导致铸件发生微变形的原因是作用在单位面积上的冲压力过大，可以降低单位作用力，或在作用力不变的情况下增强铸件强度，减小铸件微变形量。（1）通过刃入量差降低冲压力以减小微变形。如图5（a）所示，假设悬空铸件在支撑点A、B间落料线总长度为L，板料厚度为t，抗剪强度为τ。未加工波浪刃口时，冲裁力P均匀作用在铸件受力面AB上。采用波浪刃口后，由于刃口进入材料存在时差，AB之间铸件并非同一时刻受到冲压力，而是从A点及B点向O点渐变受力，如图5（b）所示。![]()
图5 铸件悬空及不同步切入情况
如采用凸模刃口同时切入板料，冲裁力F=KLtτ（K为系数）。如采用凸模刃口不同步切入板料，假设凸模刃口切入凹模的波浪刃入量差为h，刃口剪切角度为θ。假设凸模刃口切断板料厚度t的单位落料线长为Δ，剪切角为θ，如图6所示，则tanθ=t/Δ，Δ=t/tanθ，波浪刃口的冲裁力P=∑KτtΔ。![]()
图6 板料切断剪切角采用波浪刃口时，刃入差如图5（b）所示，落料线长为L/2时，凸模刃口切入量差为h，则tanθ=2h/L，故Δ=tL/2h，P=2KτttL/2h，由此可得：P=Kτt²L/h，其中h≥t。在不同剪切角下，铸件刃口方向微变形情况如图7所示，汇总对比如表1所示。![]()
图7 板料剪切角不同情况的铸件微变形从表1可以看出，通过改变刃入先后时差，可快速降低单位面积上承受的冲压力，有效减小铸件微变形量，刃入差在10~12 mm时，铸件变形小，不会损坏刀口。（2）通过提高铸件强度以减小微变形。在不改变刃口切入先后时差情况下，通过增加铸件厚度来提高铸件强度，减小铸件的微变形量。图8所示是在原有铸件基础上依次增加20 mm厚度的情况。![]()
图8 铸件依次增强示意图铸件增加不同厚度时，铸件刃口方向微变形情况如图9所示，汇总对比如表2所示。![]()
图9 不同厚度的铸件微变形综合评估以上2种方式，都可将冲压时的铸件受力后发生微变形的程度降低，铸件微变形量降低的趋势如图10所示。![]()
图10 微变形量降低对比
（3）验证效果。通过对比分析可见，通过刃入量差来降低冲压力，可更有效降低铸件微变形量，如图11所示。在后期的整改措施中，采用增加刃入量差来降低冲压力，并将铸件的微变形量控制在0.1 mm以内，最后模具可正常使用，落料毛坯合格，天窗大洞废料满足回收利用条件。![]()
图11 改造后落料情况
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